Теория электрослабого взаимодействия

В семидесятые pp. XX в. в естествознании произошло выдающееся событие: две фундаментальные взаимодействия с четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась. Электромагнитная и слабое взаимодействия, казалось бы, очень разные по своей природе, появились как разновидность единой электрослабого взаимодействия. Теорию электрослабого взаимодействия в окончательной форме создали два физики, работавшие независимо друг от друга, - с Вайнберг и А. Салам. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в.

Главная идея, на основе которой построен эту теорию, состоит в описании слабого взаимодействия языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которым ключом к пониманию природы взаимодействий является симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX в. - Это убежденность, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе певый набор абстрактных симметрий. Какое отношение имеет симметрия к фундаментальным взаимодействиям? Ведь, на первый взгляд, утверждение о существовании подобной взаимосвязи кажется очень парадоксальным.

Прежде всего о том, что следует понимать под симметрией. Принято считать, что предмет симметричный, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией понимают инвариантность системы относительно определенной операции.

Существуют различные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негебметрични. Среди неге ^ ометричних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер, органы чувств их непосредственно не фиксируют. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения какой физической величины. Система имеет калибровочную симметрию, если ее природа остается неизменной при таких преобразований. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение - от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Симметрии, на которых основывается просмотр понимание фундаментальных взаимодействий, именно такого рода.

Калибровочные преобразования симметрии могут быть глобальными и локальными. Глобальные преобразования меняют систему в целом, во всем ее пространственно-временном объеме; в физике это выражается в том, что во всех точках пространства-времени значение волновой функции испытывает те же изменения. Локальными калибровочными преобразованиями называются преобразования, которые изменяются от точки к точке; иначе говоря, волновая функция в каждой точке характеризуется своей особой фазой, которой соответствует определенная частица.

Глобальное калибровочного преобразования теоретически можно изменить на локальное калибровочное преобразование. Для связи между ними и поддержки симметрии в каждой точке пространства необходимы новые силовые поля - калибровочные. В природе существует ряд-локальных калибровочных симметрий и необходимо соответствующее калибровочных полей для их компенсации. Так, силовые поля можно рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей локальные калибровочные симметрии. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря ей теоретически моделируются все четыре фундаментальные взаимодействия, которые встречаются в природе, Все их можно рассматривать как калибровочные поля.

Самая калибровочная симметрия в электромагнетизма. Иначе говоря, электромагнитное поле не просто определенным типом силового поля, существующего в природе, а проявлением простой (совместимой с принципами специальной теории относительности) калибровочной симметрии, в которой калибровочные преобразования соответствуют изменениям потенциала от точки к точке. Учение о электромагнетизм формировалось на протяжении веков на основе кропотливых эмпирических исследований, но оказывается, что эти же результаты исследований можно получить чисто теоретически, основываясь на знании только двух симметрий - простой локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца-Пуанкаре специальной теории относительности. Основываясь только на существовании двух симметрий, не проводя ни эксперимента по электричеству и магнетизму, можно построить уравнения Максвелла, вывести все законы электромагнетизма, доказать существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д. А применение идей локальной калибровочной инвариантности к преобразованиям Лоренца автоматически приводит к построению теории гравитации, подобной общей теории относительности.

Чтобы утвердить поле слабого взаимодействия как калибровочного, прежде всего необходимо установить точную форму соответствующей калибровочной симметрии. Дело в том, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного. Ведь и сам механизм слабого взаимодействия является более сложным. Во-первых, при распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино). Во-вторых, действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц на другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы частиц, участвующих в нем.

Выяснилось, что для поддержания симметрии в описании слабого взаимодействия необходимы три новые силовые поля, в отличие от единого электромагнитного поля. Было получено и квантовый описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц - носителей взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1 и являются носителями слабого взаимодействия. Частицы W * и W ~ являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-носителе, который получил название 2 ° -частицы. Существование 2 ° -частицы означает, что слабое взаимодействие не обязательно должна сопровождаться переносом электрического заряда.

В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи должно иметь все свойства его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частью, что находится в разных состояниях. Таким образом, идея Вайнберга и Саддама о спонтанном нарушении симметрии соединила электромагнетизм и слабое взаимодействие в единую теорию калибровочного поля.

Почему же электромагнитная и слабое взаимодействия имеют столь непохожие свойства? Теория Вайнберга - Салама объясняет эти различия нарушением симметрии. Если бы симметрия не нарушалась, то обе взаимодействия были бы сопоставимыми по величине. Нарушение симметрии вызывает резкое уменьшение слабого взаимодействия, поскольку: оно непосредственно связано с массами W- и Z-частиц. Можно сказать, что слабое взаимодействие настолько мала том, что W- и Z-частицы очень массивные. Лептоны редко сближаются на столь малые расстояния (м), чтобы на них становился возможным обмен тяжелыми векторными бозонами.

Но при больших энергиях (более 100 ГэВ), когда частицы W и Z могут свободно рождаться, обмен W- и Z-бозонами осуществляется столь же легко, как и обмен фотонами (безмассовыми частицами), различие между фотонами и бозонами стирается. В этих условиях должна существовать полная симметрия между электромагнитной и слабым взаимодействием - электрослабое взаимодействие.

Наиболее убедительной экспериментальной проверкой Новой теории могло бы быть подтверждение существования гипотетических W- и Z-частиц. их открытия в 1983 г.. стало возможным только тогда, когда было создано очень мощные ускорители Новейшего типа и означало торжество теории Вайнберга - Салама. Было окончательно доказано, что электромагнитная и слабое взаимодействия самом деле были просто двумя компонентами единой электрослабого взаимодействия. У1979 г.. Вайнберг С, Саламу А., Глэшоу С. была присуждена Нобелевская премия за создание теории электрослабого взаимодействия.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >